微機控制超低速運動下降桿設(shè)計

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1、微機控制超低速運動下降桿設(shè)計作者：孫國浩指導(dǎo)教師：鄭堤（寧波大學(xué)工學(xué)院，浙江寧波）摘要：本設(shè)計主要介紹了超低速運動下降桿的設(shè)計，用于單晶生長。設(shè)計包括機械設(shè)計和控制設(shè)計兩大塊。在機械設(shè)計中，本文主要說明了機械結(jié)構(gòu)的方案選擇和設(shè)計計算。在控制部分中，文章重點闡述了單片機的外圍電路開發(fā)、電機的控制電路設(shè)計和電源設(shè)計三大部分。關(guān)鍵詞：低速；機械結(jié)構(gòu)；單片機；電路1引言為滿足晶體生長而設(shè)計出超低速下降機構(gòu)。本設(shè)計適用于下降法生長晶體。設(shè)計主要滿足下降過程中的精度和速度變化的要求。目前，下降法晶體生長的機構(gòu)

2、大多是要人工操作來實現(xiàn)速度的改變，并且速度的變化范圍很小。本次設(shè)計采用單片機控制步進電機來實現(xiàn)下降速度的變化，設(shè)計的速度變化范圍廣、精度高。使晶體生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動控制，操作簡單，大大提高了生產(chǎn)效率。并且本設(shè)計采用的零部件加工和采購成本底，能夠降低小型企業(yè)生產(chǎn)成本投入。2結(jié)構(gòu)設(shè)計（總裝圖參見附錄二）2.1結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇設(shè)計要求的速度變化范圍為0.5～100mm/24h，變化范圍比較大，因此下降采用步進電機驅(qū)動。步進電機相對于普通電動機能夠滿足大范圍速度變化的要求，同時轉(zhuǎn)速控制簡單，精度高。由于

3、速度變化范圍比較大同時速度非常低，因此設(shè)計要求的傳動比非常大（通過計算，傳動比在30000左右），對于一般的減速機構(gòu)達到這樣大的減速比比較困難。采用諧波減速器可以實現(xiàn)單級減速比在2000左右，這樣可以使結(jié)構(gòu)緊湊，傳動機構(gòu)的體積大大減小。上升部分由于沒有精度和速度要求，可以選用單相交流電動機，以節(jié)約設(shè)計成本。設(shè)計方案如下：方案比較：由于運動速度要求比較低，并且范圍比較大，所以設(shè)計需要很大的減速比，在一級減速中選用諧波減速器并采用步進電機驅(qū)動。名稱（編號）參考圖傳動比特點絲杠—蝸桿式（方案一）圖a蝸桿

4、：10～40最大可達到80；諧波減速器可達到2000。蝸輪與蝸桿嚙合，潤滑方便，一般用于速度小于4～5m/s的情況下；滑動絲杠自鎖性能好。V帶傳動工作平穩(wěn)，允許線速度不超過25m/s齒條—齒輪式（方案二）圖b圓柱齒輪：一般小于5最大為8；諧波減速器可達到2000。齒輪可以做成直齒和斜齒，直齒用于低速或輕載荷的傳動傳動；齒條傳動不能自鎖。齒條—錐齒輪式（方案三）圖c圓錐齒輪：一般為3最大為5；諧波減速器可達到2000。圓錐齒輪，用于輸入軸和輸出軸線相交的傳動；齒條傳動不能自鎖。從以上傳動方案可知：方

5、案一、設(shè)計較為合理，蝸桿傳動比較大能適合設(shè)計需要的低速要求，并且結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)，雖然傳動效率不高，但仍然可以滿足設(shè)計的小功率要求；并且滑動絲杠有很好的自鎖性能，能夠保證設(shè)計的精度要求。由于電機尺寸比較大，因此設(shè)計采用Ｖ帶傳動將電機固定在下方。方案二、由于采用齒輪傳動來達到減速要求，其減速比不如方案一中的蝸桿傳動；并且齒條不能自鎖對于設(shè)計精度會產(chǎn)生影響。方案三、由于錐齒輪加工比較困難，一般用于改變軸的方向時使用，在此設(shè)計中沒有改變的要求。綜上所述，選用方案一作為傳動方案。2.2零件設(shè)計與選用2.

6、2.1電機選用交流電機驅(qū)動：載荷F=1500N，速度初定810-3m/s。因載荷平穩(wěn)，電動機額定功率Ped略大于Pd即可。通過計算得Pd=85.7W，選用電動機的額定功率Ped為90W，n0=1400rpm。步進電機驅(qū)動：載荷F=500N，速度0.5～1000mm/24h。通過計算選用常州寶馬集團公司前楊電機廠生產(chǎn)的三相步進電機：36BF003。按三相六拍工作時，步矩角：α=1.5°，電壓：27V，電流：1.5A，保持轉(zhuǎn)矩：0.78Nm/0.8kgcm，空載啟動頻率：3100Hz，轉(zhuǎn)動慣量：7.8

7、×10-7kgm2。2.2.2蝸桿設(shè)計與校核選用ZA蝸桿傳動，精度8cGB10089-1988。蝸桿選用45鋼，齒表面淬火，硬度45～55HRC；表面粗糙度Ra≤1.6μm。蝸輪選用QA110-3-1.5金屬模鑄造。QA110-3-1.5為鋁青銅，強度高、耐磨性強。設(shè)計得：i=n1/n2=15，z1=2，z2=iz1=15×2=30，m=1.6校核（略）2.2.3絲杠設(shè)計螺桿材料選用45鋼，調(diào)制處理；螺母材料QA110-3-1.5。設(shè)計得：d=24，P=5,d2=21.5，D4=24.5,d3=1

8、8.5,D1=19的梯形螺紋，中等精度，螺旋副的標(biāo)記為Tr24×5-7H/7e。螺母高度H=40mm，=螺紋圈數(shù)n=8圈。校核（略）2.2.4諧波減速器選用根據(jù)設(shè)計要求選用XB2內(nèi)齒復(fù)波諧波減速器：型號25；減速比為2016；傳動效率30%；輸入最高轉(zhuǎn)速3000rpm；輸出最大轉(zhuǎn)矩2N·m；能夠滿足設(shè)計要求。2.2.5離合機構(gòu)設(shè)計方案一：雙向離合器，沒有符合設(shè)計要求的產(chǎn)品型號；方案二：電磁離合器，由于長期工作在閉合狀態(tài)，所以對于離合器的壽命和工作穩(wěn)定性會有影響；方案三：滑移齒輪通過